Многослойное пассивирующее покрытие для высоковольтных полупроводниковых приборов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МНОГОСЛОЙНОЕ ПАССИВИРУЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Глухманчук Владимир Владимирович Солодуха Виталий Александрович Соловьев Ярослав Александрович Пуцята Владимир Михайлович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(57) 1. Многослойное пассивирующее покрытие для высоковольтных полупроводниковых приборов, содержащее слои поликристаллического кремния, легированного кислородом в процессе роста, нитрида кремния и фосфорсодержащего легкоплавкого стекла, последовательно нанесенные на поверхность кремниевой пластины, отличающееся тем, что под слоем поликристаллического кремния, легированного кислородом в процессе роста,сформирован слой оксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм, а слой нитрида кремния нанесен толщиной 0,05-0,2 мкм. 2. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что в качестве фосфорсодержащего легкоплавкого стекла нанесен слой борофосфоросиликатного стекла толщиной 0,6-2,0 мкм и суммарным содержанием бора и фосфора 8,0-10,0 мас.при содержании фосфора 3,85,0 мас. . Фиг. 1 Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к конструкции защитного покрытия кристаллов высоковольтных полупроводниковых приборов (ВПП), и может быть использовано в изделиях силовой электроники. 11325 1 2008.12.30 Известно многослойное пассивирующее покрытие для высоковольтных полупроводниковых приборов 1, содержащее слои оксида кремния и фосфоросиликатного стекла,последовательно нанесенные на поверхность кремниевой пластины. Однако данное многослойное пассивирующее покрытие не может обеспечить стабильность характеристик ВПП при высокой температуре, поскольку слой оксида кремния характеризуется наличием встроенных положительных зарядовых состояний. Это приводит к аккумуляции электронов в приповерхностной области кремниевой пластины, что обусловливает появление проводящих каналов, рост обратного тока, снижение напряжения пробоя как при нормальной, так и при высокой температуре. Также оксид кремния не является барьером против подвижных ионов щелочных металлов, влаги, молекул кислорода, азота и водорода, наличие которых изменяет плотность зарядовых состояний в оксиде кремния и приводит к неуправляемому изменению напряжения лавинного пробоя. Кроме того, при обратном смещении наблюдается инжекция горячих носителей в оксид кремния, что также изменяет плотность встроенного заряда и приводит к дрейфу напряжения лавинного пробоя. В конечном итоге все это также обусловливает низкий выход годных ВПП с данной конструкцией многослойного пассивирующего покрытия. Известно многослойное пассивирующее покрытие для высоковольтных полупроводниковых приборов 2, содержащее слои поликристаллического кремния, легированного кислородом во время роста (ПКЛК), оксида кремния, легкоплавкого стекла - фритты и оксида кремния, последовательно нанесенные на поверхность кремниевой пластины. В данном многослойном пассивирующем покрытии слой ПКЛК обладает проводимостью и не содержит встроенного заряда, благодаря чему также способствует рассасыванию носителей заряда, инжектируемых в пассивирующее покрытие при обратном смещении, что несколько улучшает стабильность обратного напряжения ВПП с данной пассивацией. Однако наличие на границе раздела кремний - ПКЛК адсорбированных газов, химических соединений и органических загрязнений, а также тонкого слоя естественного оксида кремния с невоспроизводимыми свойствами обусловливает ухудшение стабильности напряжения лавинного пробоя, особенно при увеличении температуры, а также увеличение обратного тока и низким выходом годных. Кроме того, слои оксида кремния и стекла - фритты не являются эффективной защитой ПКЛК против диффузии влаги, подвижных ионов и молекул кислорода, азота, водорода, что приводит к ухудшению защитных свойств пассивации. Что, как следствие, обусловливает уменьшение напряжения пробоя, рост обратного тока и снижение выхода годных ВПП с данным пассивирующим покрытием. Известно многослойное пассивирующее покрытие для высоковольтных полупроводниковых приборов 3, содержащее слои нелегированного поликристаллического кремния(НПК), поликристаллического кремния, легированного кислородом в процессе роста, нитрида кремния и фосфорсодержащего легкоплавкого стекла, последовательно нанесенные на поверхность кремниевой пластины. В данном многослойном пассивирующем покрытии слой нитрида кремния и слой фосфорсодержащего легкоплавкого стекла эффективно защищают нижележащие слои ПКЛК и нелегированного поликристаллического кремния против диффузии влаги, подвижных ионов и молекул кислорода, азота, водорода, что несколько повышает стабильность его защитных свойств. Однако и в данном устройстве на границе раздела кремний - нелегированный поликристаллический кремний наблюдается наличие адсорбированных газов, химических соединений и органических загрязнений, а также тонкого слоя естественного оксида кремния с невоспроизводимыми свойствами. Поэтому в ВПП с данным многослойным пассивирующим покрытием также характеризуются нестабильностью обратного напряжения, особенно при повышении температуры, а также увеличением обратного тока и низким выходом годных. 11325 1 2008.12.30 В основу изобретения положена задача уменьшения обратного тока, повышения стабильности обратного напряжения, повышения выхода годных высоковольтных полупроводниковых приборов с данным покрытием. Сущность изобретения заключается в том, что в многослойном пассивирующем покрытии для высоковольтных полупроводниковых приборов, содержащем слои поликристаллического кремния, легированного кислородом в процессе роста, нитрида кремния и фосфорсодержащего легкоплавкого стекла, последовательно нанесенные на поверхность кремниевой пластины, под слоем поликристаллического кремния, легированным кислородом в процессе роста, сформирован слой оксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм, а слой нитрида кремния нанесен толщиной 0,05-0,2 мкм, в качестве фосфорсодержащего легкоплавкого стекла нанесен слой борофосфоросиликатного стекла толщиной 0,6-2,0 мкм и суммарным содержанием бора и фосфора 8,0-10,0 мас.при содержании фосфора 3,8-5,0 мас. . Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показал, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что под слоем поликристаллического кремния, легированным кислородом в процессе роста, сформирован слой оксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм, а слой нитрида кремния нанесен толщиной 0,05-0,2 мкм, в качестве фосфорсодержащего легкоплавкого стекла нанесен слой борофосфоросиликатного стекла толщиной 0,6-2,0 мкм и суммарным содержанием бора и фосфора 8,0-10,0 мас.при содержании фосфора 3,8-5,0 мас. . Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Слой поликристаллического кремния, легированного кислородом во время роста, характеризуется удельным сопротивлением от 5106 до 5108 Омсм, величина которого однозначно связана с содержанием кислорода в поликристаллическом кремнии. Вследствие очень низкой проводимости ПКЛК ток утечки через данный слой настолько мал, что его величина сравнима либо даже меньше утечек в объеме или на поверхности кремния. Но благодаря проводимости слой ПКЛК не содержит встроенных зарядовых состояний, а также обеспечивает рассасывание зарядовых состояний, вносимых инжекцией горячих носителей в слой ПКЛК при работе ВПП. Однако при нанесении слоя ПКЛК на поверхность кремния наблюдается невоспроизводимость характеристик высоковольтных полупроводниковых приборов при обратном смещении, особенно при высокой температуре неуправляемый рост обратного тока и снижение обратного напряжения. Данный эффект объясняется наличием на границе раздела кремний - ПКЛК адсорбированных газов, химических соединений и органических загрязнений, а также тонкого слоя загрязненного естественного оксида кремния. Данные загрязнения формируются при межоперационном хранении кремниевых пластин с кристаллами ВПП (от очистки поверхности кремния до начала осаждения слоя ПКЛК) и обусловливают катастрофическое увеличение поверхностной проводимости кремния. Формирование относительно тонкого слоя оксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм позволяет защитить поверхность кремния от указанных загрязнений, а значит, избежать увеличения его поверхностной проводимости. При этом сохраняется электрический контакт кремния и слоя ПКЛК за счет туннельного эффекта и обеспечивается эффективная работа слоя ПКЛК. При толщине слоя оксида кремния менее 0,5 нм не происходит достаточно эффективной защиты границы раздела кремний - ПКЛК от адсорбированных газов, химических соединений и органических загрязнений и все еще наблюдается невоспроизводимость характеристик высоковольтных полупроводниковых приборов при обратном смещении, особенно при высокой температуре. При толщине слоя химического оксида кремния более 2,5 нм ухудшается электрический контакт между поверхностью кремния и слоем ПКЛК, который утрачивает свою эффективность. Это приводит к увеличению обратного тока, уменьшению напряжения пробоя и снижению выхода годных ВПП. 11325 1 2008.12.30 Слой нитрида кремния толщиной 0,05-0,2 мкм обеспечивает эффективную защиту слоя ПКЛК против диффузии влаги, подвижных ионов и молекул кислорода, азота, водорода, которые могут существенно изменять его электрофизические свойства. При толщине слоя нитрида кремния менее 0,05 мкм не обеспечивается эффективная защита слоя ПКЛК против диффузии влаги, подвижных ионов и молекул кислорода, азота, водорода,что приводит к снижению напряжения пробоя и увеличению токов утечки и обусловливает низкий выход годных ВПП. При толщине слоя нитрида кремния более 0,2 мкм в структуре будут наблюдаться значительные внутренние механические напряжения, приводящие к нарушению сплошности пассивирующих слоев, изгибу и разрушению подложки,что обусловливает снижение выхода годных. При нанесении в качестве фосфорсодержащего легкоплавкого стекла борофосфоросиликатного стекла (БФСС) толщиной 0,6-2,0 мкм с суммарным содержанием бора и фосфора 8-10 мас.при содержании фосфора 3,8-5,0 мас.появляется дополнительное преимущество-возможность оплавления стекла при более низких температурах, что способствует планаризации топологического рельефа. Это особенно важно при формировании многослойного пассивирующего покрытия для ВПП с мезаструктурой, поскольку в данном случае исключаются обрывы фоторезистивного слоя по краю мезы при формировании рисунка многослойного пассивирующего покрытия, приводящие к нарушению его сплошности и, как следствие, к снижению выхода годных ВВП с данной пассивацией. Если толщина слоя БФСС менее 0,6 мкм, то дополнительный защитный эффект данного слоя в полной мере не достигается. Кроме того, при толщине БФСС менее 0,6 мкм не достигается хорошей планаризации топологического рельефа и наблюдаются обрывы фоторезистивного слоя по краю мезы, приводящие к нарушению сплошности многослойного пассивирующего покрытия. При толщине БФСС более 2,0 мкм не наблюдается дальнейших улучшений, что экономически нецелесообразно. При суммарном содержании бора и фосфора менее 8,0 мас.и при содержании фосфора менее 3,8 мас.в БФСС будут наблюдаться значительные остаточные механические напряжения, и компенсация механических напряжений, вносимых слоем нитрида кремния, не будет достаточной. Это приведет к ухудшению защитных свойств пассивации, росту токов утечки и снижению напряжения пробоя, что обусловит снижение выхода годных меза-тиристоров. Кроме того, при суммарном содержании бора и фосфора в БФСС менее 8,0 мас.резко ухудшается способность данного слоя к оплавлению. Это приводит к обрывам фоторезистивного слоя по краю мезы, что приводит к нарушению сплошности многослойного пассивирующего покрытия и снижению выхода годных ВПП. При суммарном содержании бора и фосфора в БФСС более 10 мас.и при содержании фосфора более 5 мас.данный слой будет характеризоваться плохой стойкостью к межоперационному хранению из-за выделения кристаллов борной кислоты, высокой химической активностью, а также адсорбировать влагу на своей поверхности, что приводит к коррозии. Это ухудшает защитные свойства многослойного пассивирующего покрытия и приводит к снижению выхода ВПП. Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-3, где на фиг. 1 показано многослойное пассивирующее покрытие высоковольтного полупроводникового прибора согласно устройству - прототипу, содержащее слои нелегированного поликристаллического кремния (2),поликристаллического кремния, легированного кислородом в процессе роста (3), нитрида кремния (4) и фосфорсодержащего легкоплавкого стекла (5), последовательно нанесенные на поверхность кремниевой пластины (1), на фиг. 2 показано многослойное пассивирующее покрытие высоковольтного полупроводникового прибора согласно п. 1 формулы изобретения, а на фиг. 3 - согласно п. 2 формулы изобретения заявляемого устройства. Структуры, показанные на фиг. 2 и 3, изготавливали следующим образом. Сначала в кремниевой подложке (1) стандартными методами фотолитографии и термодиффузии формировали переходы активной структуры ВПП. Меза-канавки глубиной 70- 80 мкм(см. фиг. 3) формировали стандартными методами фотолитографии и травления. Слой ок 4 11325 1 2008.12.30 сида кремния (7) формировали последовательной обработкой подложек в травителе КАРО(раствор серной кислоты и перекиси водорода) при температуре 100-110 С, в перекисноаммиачном растворе и снова в травителе КАРО. Слой ПКЛК (3) наносили химическим осаждением из газовой фазы на установке Изотрон 4-150 окислением моносилана закисью азота. Слой нитрида кремния (4) также наносили химическим осаждением из газовой фазы на установке Изотрон 4-150 аммонолизом дихлорсилана. В качестве легкоплавкого фосфорсодержащего стекла (5) использовали среднетемпературное фосфоросиликатное стекло (СТФСС), которое наносили пиролизом парогазовой смеси тетраэтоксисилана и диметилфосфита на установке Изотрон 4-150. Для получения БФСС использовали парогазовую смесь тетраэтоксисилана, диметилфосфита и триметилбората. При использовании БФСС в качестве фосфорсодержащего легкоплавкого стекла проводили его оплавление либо в том же реакторе установки нанесения, либо в диффузионной печи СДОМ 3/100. Затем стандартными методами фотолитографии и травления формировали рисунок пассивирующих областей, после чего формировали металлизацию ВПП (6). Работает предлагаемое многослойное пассивирующее покрытие следующим образом. Слой оксида кремния (7) защищает поверхность кремния от адсорбированных газов, химических соединений и органических загрязнений. Слой поликристаллического кремния,легированного кислородом во время роста (3), с удельным сопротивлением от 5106 до 5108 Омсм, нанесенный поверх слоя химического оксида кремния, находится в электрическом контакте с поверхностью кремния благодаря туннельному эффекту, что обусловлено относительно малой толщиной химического оксида кремния. Слой ПКЛК не имеет встроенных зарядовых состояний и обеспечивает эффективное рассасывание зарядов, инжектируемых при обратном смещении переходов ВПП при обратном смещении. Поэтому в данном случае вольтамперные характеристики (ВАХ) ВПП будут определяться в основном параметрами переходов, а не процессами переноса зарядов на поверхности ВПП. Слой нитрида кремния (4), нанесенный поверх слоя ПКЛК, обеспечивает его эффективную защиту против диффузии влаги, подвижных ионов и молекул кислорода, азота, водорода. Слой фосфорсодержащего легкоплавкого стекла (5) обеспечивает дополнительную защиту против диффузии влаги, подвижных ионов и молекул кислорода, азота, водорода к нижележащим слоям многослойного пассивирующего покрытия ВПП. Наличие фосфора в фосфорсодержащем легкоплавком стекле создает ловушки для ионов щелочных металлов, а также компенсирует остаточные механические напряжения, вносимые слоем нитрида кремния. Введение бора в состав фосфорсодержащего легкоплавкого стекла позволяет получать слои БФСС, которые после оплавления планаризуют топологический рельеф. В табл. 1 представлены сравнительные характеристики ВПП с планарными -переходами в зависимости от толщины слоев химического оксида кремния и нитрида кремния для различных материалов фосфорсодержащего легкоплавкого стекла. 11325 1 2008.12.30 Таблица 1 Сравнительные характеристики ВПП с планарными переходами для различной толщины слоев химического оксида кремния и нитрида кремния и материалов фосфорсодержащего легкоплавкого стекла Толщина Толщина Материал Обратслоя окслоя фосфорсо- ный токп/п сида нитрида держащего (840 В,кремния, кремния, легкоплав- 25 С),нм мкм кого стекла мкА 1 1 0,3 0,03 СТФСС 123 2 0,5 0,05 СТФСС 14 3 1,5 0,15 СТФСС 2,0 4 2,5 0,25 СТФСС 28 5 5,0 0,5 СТФСС 235 6 1,5 0,15 БФСС 2,0 Нет Примечание Толщина слоев СТФСС и БФСС 1,5 мкм, содержание фосфора в СТФСС и БФСС 4,5 мас. ,суммарное содержание бора и фосфора в БФСС 9,0 мас.Прототип- обратный ток измеряли при температуре 25 С по всем кристаллам на пластине при помощи измерителя ГАММА-161 на установке зондового контроля ЭМ 610 с фиксацией результатов в ПЭВМ и последующей обработкой статистической информации 2- обратный ток при температуре 125 С измеряли в импульсном режиме на установке зондового контроля с подогревом рабочего столика выборочно в 10 точках по пластине с последующим усреднением 3- стабильность обратного напряжения оценивали на установке Л 2-56 с помощью многозондового манипулятора с подогревом рабочего столика до температуры 125 С,критерием годности служило отсутствие дрейфа напряжения пробоя при увеличении обратного тока. 4- ВГ/ВГП определяли как отношение выхода годных ВПП к выходу годных ВПП согласно устройству-прототипу по результатам функционального контроля. Как видно из табл. 1, оптимальным диапазоном значений толщины слоя оксида кремния является 0,5-2,5 нм, а оптимальным диапазоном значений толщины слоя нитрида кремния является 0,05-0,25 мкм. За пределами указанных диапазонов толщины данных слоев наблюдается увеличение обратного тока, ухудшение стабильности обратного напряжения и снижение выхода годных ВПП. Кроме того, из табл. 1 видно, что замена материала фосфорсодержащего легкоплавкого стекла с СТФСС на БФСС не выявляет существенных различий для решения поставленной задачи. В табл. 2 представлены сравнительные характеристики ВПП с переходами в мезаканавках в зависимости от толщины слоя БФСС, а также содержания в нем бора и фосфора. 11325 1 2008.12.30 Таблица 2 Сравнительные характеристики ВПП с переходами в меза-канавках в зависимости от параметров слоя БФСС Параметры слоя БФСС СуммарСодерное сожание Толдержание фосфощина,бора и мкм ра,фосфора,мас.мас.0,3 6 3,5 0,6 8 3,8 1,3 9 4,5 2,0 10 5,0 2,4 12 6,0 Нет Есть Есть Есть Нет Толщина слоя оксида кремния 1,5 нм, толщина слоя нитрида кремния 0,15 мкм Как видно из табл. 2, оптимальным диапазоном значений толщины слоя БФСС является 0,6-2,0 нм, суммарного содержания бора и фосфора в 8-10 мас. , а содержания фосфора в БФСС менее 3,8-5,0 мас. . За пределами указанных диапазонов наблюдается увеличение обратных токов ВПП, ухудшение стабильности обратного напряжения, снижение выхода годных ВПП. Анализ табл. 1, 2 показывает, что предлагаемое многослойное пассивирующее покрытие для высоковольтных полупроводниковых приборов в сравнении с прототипом позволяет уменьшить величину обратных токов в 5-72 раз, улучшить стабильность обратного напряжения и увеличить выход годных ВПП с данным покрытием в 6,2-15,4 раза. Таким образом, предлагаемое многослойное пассивирующее покрытие для высоковольтных полупроводниковых приборов позволяет решить задачу уменьшения обратного тока, повышения стабильности обратного напряжения, повышения выхода годных высоковольтных полупроводниковых приборов с данным покрытием. Источники информации 1. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов Пер. с англ./ Под. ред. И.В. Грехова. - Л. Энергоатомиздат, 1986. - 248 с. 2. Патент США 4344985, МПК 701 21/316, 1982. 3. Патент США 4194934, МПК 701 21/205, 1980. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7